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摘 要：综述了膜蒸馏技术的工作原理、技术分类及优缺点，从膜材料选择、生产规模、膜污染、膜通量、使用寿命等方面分析了制约膜蒸馏技术大规模工业化应用的因素，并提出了今后需要研究和解决的问题，同时对“MD+”模式集成工艺技术的应用前景进行了展望。
关键词：膜蒸馏；膜材料；膜污染；集成技术
随着高分子材料和制膜工艺的迅速发展，以及对低能耗分离过程的需要，膜蒸馏（MD）技术引起人们的重视。对膜蒸馏的理论与实验研究日益活跃，并且在膜蒸馏的传质、传热以及应用方面的研究也取得了巨大的进步，但至今未见大规模工业化生产应用的相关报道。过程参数的综合影响、膜材料的商业化、膜组件设计及过程热效率是目前阻碍膜蒸馏工业化应用的主要问题
1 膜蒸馏技术概述
1.1 MD技术基本原理
膜蒸馏是膜技术和传统蒸馏技术的结合，膜的一侧与热料液接触，热侧溶液中易挥发的组分在膜表面处汽化通过膜的微孔进入冷侧并被冷凝成液相，其它不挥发或难挥发组分则被疏水膜挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。
1.2 MD技术分类
膜蒸馏根据蒸汽在膜冷侧冷凝方式的不同分为直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气体间隙式膜蒸馏（AGMD）、吹扫气式膜蒸馏（SGMD）、减压膜蒸馏（VMD）。
1.3 MD技术特点
（1）膜的比表面积大，设备简单，占地少；（2）可低温操作，利用低品位热源；（3）应用范围广，不仅可用于浓杂盐水、苦咸水等废水的深度脱盐提纯，还可以回收高浓废水中有价值的有机物。
2 进料要求高与MD膜材料可选择范围小
疏水性和多孔性是MD过程膜材料两个硬性要求，以保证水不会渗漏出去和具有较高的通量。MD膜材料最基本要求就是膜不被湿润。润湿性取决于液体与膜材料之间的相互作用，在亲和性低时不会润湿。应当选取表面能低的聚合物作为膜材料，制作工艺上应当对膜孔径分布范围有严格要求，应当添加预处理工艺用以去除待处理料液中降低表面张力的表面活性剂类物质以保证待处理料液有足够的表面张力。除疏水性和多孔性外，足够的机械强度和好的热稳定性、化学稳定性以及低的导热系数也是膜材料所必需的。因此，MD用膜材料可选范围相对较小。
3 制膜工艺未实现商业化
不同膜材料的物化性能不同，所用制膜方法也不同。PP膜常采用热致相分离法（TIPS）和熔融纺丝—冷却拉伸法（MSCS）制成，PTFE膜常采用烧结法及拉伸法制成，但以上这些方法的膜制备规模目前仍是维持在作坊式的生产形式，动用大量人力物力财力，未实现连续性的流水作业，且所制膜质量水参差不齐，成为影响工业化的重要因素。
另外，膜组件或者膜设备的组装过程也基本上为间歇不连续的生产过程，也是制约工业化应用的因素。
4 膜内在与外在因素的影响
3.1 膜污染及膜使用寿命问题
膜污染是制约膜蒸馏技术实现工业化的重要因素之一。膜污染不但造成膜通量下降，而且使膜发生润湿和泄漏。一般来说，其原因为料液中①含有油污②含有表面活性剂类物质③含有较多的有机溶剂④含有氧化剂⑤有沉淀或结晶产生。因此，在MD过程之前常常需要伴有预处理单元来去除原料液中的悬浮物、胶体、表面活性剂类物质，以保证料液在进入膜组件前至少能达到膜被润湿临界表面张力的最低值。膜污染通常是一个不可逆过程，可用加强原料液预处理等手段来缓解，一旦污染，只能靠清洗来恢复部分性能。
有试验研究表明PP膜因化学稳定性及耐氧化性相对较差的先天性原因，在处理一些条件苛刻和高温（>90℃）的料液时出现膜丝快速老化、脆性断裂，使用寿命将大大缩短。
深入了解膜产生污染的原因，延长膜的使用寿命是目前膜工业化应用的重要课题之一。
3.2 膜通量低的问题
与其它膜过程相比，MD过程通量较小，也是导致其目前尚未实现工业化应用的的原因之一。膜通量由外加推动力和膜的阻力共同决定，其中膜本身的的孔径分布范围和孔隙率大小直接影响膜通量的大小。造成膜通量衰减的外在原因有很多，如浓差极化、温度极化、吸附、凝胶层的形成及孔的堵塞。发生这些现象的程度取决于膜过程的种类及所使用的原料液。
通过实验研究认为膜的温度极化系数和渗透系数共同影响着膜通量的大小，可通过控制适宜操作温度获得最大膜通量和高的热效率，增大料液流率可强化传热，使温度极化减弱，膜通量增加[4]。例如，PTFE膜用于MD过程的研究表明，膜结构的最佳范围是：微孔孔径0.2～1μm，孔隙率62%～80%。
如何进一步提高MD通量将是今后研究的一个重要课题。
5 结论与展望
膜内在的因素、待处理料液外在的环境因素以及膜材料选择范围小、制膜工艺的不成熟等因素制约了国内MD技术的大规模工业化应用。目前，“MD+”集成模式技术在废水处理、资源回用等领域显示出广阔的应用前景，国际上将MD集成技术应用于废水的深度处理已进入工业化阶段，国内大多仍处于在实验室研究阶段中，仍需要广大研究者的继续努力。“MD+”模式在未来工业化进程中需要解决的难点和着重研究的方向概括如下：
（1）探索有效的预处理工艺方法，满足MD过程进料要求。
（2）開发疏水性强、跨膜阻力小、机械强度高、抗污染性好、热传导系数低的膜材。
（3）开发价格低廉、孔隙率高、通量大、易于实现产业化的制膜工艺，着眼于膜的工业化制备和应用。
（4）优化膜表面设计，削弱浓差极化的影响；优化组件装填结构设计，获得优良的传热、传质性能，减少热损。
（5）进一步完善膜MD传质、传热机理和模型的研究，分析模型中膜孔径分布、孔隙率与传质、传热系数、温度分布参数等的内在关系，为MD过程研究提供有力的理论依据和技术支撑。
参考文献
1 孙卫明，杜慧芳.热致相分离聚丙烯微孔膜.[J].功能高分子学报，1996，9（3）：453-460.
2 孙卫明.微孔聚丙烯中空纤维膜.[J].高分子材料科学与工程，1997，13：8-13.
3 吴庸烈，刘静芝.疏水微乳膜在膜分离过程中的应用.[J].化工进展，1998，（5）：40-43.
6 阎建民，贠延滨，马润宇.膜蒸馏过程中的膜污染研究.[J].2001，21（3）：21-23
4 杨兰，丁忠伟，马润宇.温度极化对膜蒸馏过程的影响研究.[J].膜科学与技术，2004，24（3）：4-9.
5 代婷.PVDF疏水膜在膜蒸馏过程中的膜污染与亲水化进程及控制方法研究.[D].天津工业大学，2011.
7李欢， 陈华艳， 吕晓龙. 减压膜蒸馏法的影响因素以及浓缩高浓度盐水的应用[C].第六届全国膜与膜过程学术报告会. 2008.
8申龙， 高瑞昶. 膜蒸馏技术最新研究应用进展[J]. 化工进展， 2014， （2）：289-297.
9黄卉. 多效膜蒸馏浓缩纯碱溶液的技术研究[D]. 天津大学， 2012.
10. 张新妙， 谢梓峰， 王玉杰. 膜蒸馏过程中污染膜的清洗[J]. 化工环保， 2015， 35（1）：39-43.
关键词：膜蒸馏；膜材料；膜污染；集成技术
随着高分子材料和制膜工艺的迅速发展，以及对低能耗分离过程的需要，膜蒸馏（MD）技术引起人们的重视。对膜蒸馏的理论与实验研究日益活跃，并且在膜蒸馏的传质、传热以及应用方面的研究也取得了巨大的进步，但至今未见大规模工业化生产应用的相关报道。过程参数的综合影响、膜材料的商业化、膜组件设计及过程热效率是目前阻碍膜蒸馏工业化应用的主要问题
1 膜蒸馏技术概述
1.1 MD技术基本原理
膜蒸馏是膜技术和传统蒸馏技术的结合，膜的一侧与热料液接触，热侧溶液中易挥发的组分在膜表面处汽化通过膜的微孔进入冷侧并被冷凝成液相，其它不挥发或难挥发组分则被疏水膜挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。
1.2 MD技术分类
膜蒸馏根据蒸汽在膜冷侧冷凝方式的不同分为直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气体间隙式膜蒸馏（AGMD）、吹扫气式膜蒸馏（SGMD）、减压膜蒸馏（VMD）。
1.3 MD技术特点
（1）膜的比表面积大，设备简单，占地少；（2）可低温操作，利用低品位热源；（3）应用范围广，不仅可用于浓杂盐水、苦咸水等废水的深度脱盐提纯，还可以回收高浓废水中有价值的有机物。
2 进料要求高与MD膜材料可选择范围小
疏水性和多孔性是MD过程膜材料两个硬性要求，以保证水不会渗漏出去和具有较高的通量。MD膜材料最基本要求就是膜不被湿润。润湿性取决于液体与膜材料之间的相互作用，在亲和性低时不会润湿。应当选取表面能低的聚合物作为膜材料，制作工艺上应当对膜孔径分布范围有严格要求，应当添加预处理工艺用以去除待处理料液中降低表面张力的表面活性剂类物质以保证待处理料液有足够的表面张力。除疏水性和多孔性外，足够的机械强度和好的热稳定性、化学稳定性以及低的导热系数也是膜材料所必需的。因此，MD用膜材料可选范围相对较小。
3 制膜工艺未实现商业化
不同膜材料的物化性能不同，所用制膜方法也不同。PP膜常采用热致相分离法（TIPS）和熔融纺丝—冷却拉伸法（MSCS）制成，PTFE膜常采用烧结法及拉伸法制成，但以上这些方法的膜制备规模目前仍是维持在作坊式的生产形式，动用大量人力物力财力，未实现连续性的流水作业，且所制膜质量水参差不齐，成为影响工业化的重要因素。
另外，膜组件或者膜设备的组装过程也基本上为间歇不连续的生产过程，也是制约工业化应用的因素。
4 膜内在与外在因素的影响
3.1 膜污染及膜使用寿命问题
膜污染是制约膜蒸馏技术实现工业化的重要因素之一。膜污染不但造成膜通量下降，而且使膜发生润湿和泄漏。一般来说，其原因为料液中①含有油污②含有表面活性剂类物质③含有较多的有机溶剂④含有氧化剂⑤有沉淀或结晶产生。因此，在MD过程之前常常需要伴有预处理单元来去除原料液中的悬浮物、胶体、表面活性剂类物质，以保证料液在进入膜组件前至少能达到膜被润湿临界表面张力的最低值。膜污染通常是一个不可逆过程，可用加强原料液预处理等手段来缓解，一旦污染，只能靠清洗来恢复部分性能。
有试验研究表明PP膜因化学稳定性及耐氧化性相对较差的先天性原因，在处理一些条件苛刻和高温（>90℃）的料液时出现膜丝快速老化、脆性断裂，使用寿命将大大缩短。
深入了解膜产生污染的原因，延长膜的使用寿命是目前膜工业化应用的重要课题之一。
3.2 膜通量低的问题
与其它膜过程相比，MD过程通量较小，也是导致其目前尚未实现工业化应用的的原因之一。膜通量由外加推动力和膜的阻力共同决定，其中膜本身的的孔径分布范围和孔隙率大小直接影响膜通量的大小。造成膜通量衰减的外在原因有很多，如浓差极化、温度极化、吸附、凝胶层的形成及孔的堵塞。发生这些现象的程度取决于膜过程的种类及所使用的原料液。
通过实验研究认为膜的温度极化系数和渗透系数共同影响着膜通量的大小，可通过控制适宜操作温度获得最大膜通量和高的热效率，增大料液流率可强化传热，使温度极化减弱，膜通量增加[4]。例如，PTFE膜用于MD过程的研究表明，膜结构的最佳范围是：微孔孔径0.2～1μm，孔隙率62%～80%。
如何进一步提高MD通量将是今后研究的一个重要课题。
5 结论与展望
膜内在的因素、待处理料液外在的环境因素以及膜材料选择范围小、制膜工艺的不成熟等因素制约了国内MD技术的大规模工业化应用。目前，“MD+”集成模式技术在废水处理、资源回用等领域显示出广阔的应用前景，国际上将MD集成技术应用于废水的深度处理已进入工业化阶段，国内大多仍处于在实验室研究阶段中，仍需要广大研究者的继续努力。“MD+”模式在未来工业化进程中需要解决的难点和着重研究的方向概括如下：
（1）探索有效的预处理工艺方法，满足MD过程进料要求。
（2）開发疏水性强、跨膜阻力小、机械强度高、抗污染性好、热传导系数低的膜材。
（3）开发价格低廉、孔隙率高、通量大、易于实现产业化的制膜工艺，着眼于膜的工业化制备和应用。
（4）优化膜表面设计，削弱浓差极化的影响；优化组件装填结构设计，获得优良的传热、传质性能，减少热损。
（5）进一步完善膜MD传质、传热机理和模型的研究，分析模型中膜孔径分布、孔隙率与传质、传热系数、温度分布参数等的内在关系，为MD过程研究提供有力的理论依据和技术支撑。
参考文献
1 孙卫明，杜慧芳.热致相分离聚丙烯微孔膜.[J].功能高分子学报，1996，9（3）：453-460.
2 孙卫明.微孔聚丙烯中空纤维膜.[J].高分子材料科学与工程，1997，13：8-13.
3 吴庸烈，刘静芝.疏水微乳膜在膜分离过程中的应用.[J].化工进展，1998，（5）：40-43.
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4 杨兰，丁忠伟，马润宇.温度极化对膜蒸馏过程的影响研究.[J].膜科学与技术，2004，24（3）：4-9.
5 代婷.PVDF疏水膜在膜蒸馏过程中的膜污染与亲水化进程及控制方法研究.[D].天津工业大学，2011.
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8申龙， 高瑞昶. 膜蒸馏技术最新研究应用进展[J]. 化工进展， 2014， （2）：289-297.
9黄卉. 多效膜蒸馏浓缩纯碱溶液的技术研究[D]. 天津大学， 2012.
10. 张新妙， 谢梓峰， 王玉杰. 膜蒸馏过程中污染膜的清洗[J]. 化工环保， 2015， 35（1）：39-43.